MBR工艺在污水处理再生厂中的工程应用

汪启光

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 前言

作为一个人口众多、人均资源极为有限的国家，我国在经济发展和城镇化建设过程中同时面临着水资源短缺和水环境污染两方面的压力。随着用水量的不断增加，城市水资源的供需矛盾将更加突出，为了缓解这一矛盾，必须加强对淡水资源的开发与管理，寻找新的可利用水源，其中也包括对城市污水资源的再生利用[1，2]。国内外的实践经验证明，城市污水经过深度处理后再生利用，可以作为城市可靠、廉价的第二水源。城市污水的处理再生为解决供水需求、减轻水体污染、改善生态环境方面提供了有效途径。

基于对城市污水资源化的认识，许多发达国家在水环境污染治理战略目标与技术路线上进行了重大调整，由“污水处理、达标排放”转变为以水质再生为核心的“水的循环再用”，传统意义上的污水处理厂由“污水处理再生厂”所取代，可起到削减污染负荷与开发城市污水资源的双重作用[3]。

我国的城市污水再生利用工作起步较晚，国内已建及在建的城市污水处理厂一般采用常规的二级生化处理工艺。在此基础上，污水深度处理工艺是实现城市污水再生利用的关键。现阶段对污水深度处理领域先进工艺的应用探索，对于我国建设高标准的污水处理再生厂以及已建污水处理厂的改造具有重要而深远的意义。

1 污水处理再生厂项目概况

1.1 污水处理再生厂设计规模

海口市美安科技新城位于海口市西南部，距离海口市中心17 km，美兰国际机场30 km。规划区总用地面积为59.29 km2。

根据美安科技新城的规划定位和设计目标，区域内生活污水经处理后，将再生水回用作为城市杂用水及部分工业用水，给水系统采用“双上”模式——给水管网、再生水管网，排水系统采用“双下”模式——生活污水管网、工业废水管网，水量平衡情况见图1。

图1 水量平衡示意图

美安科技新城近期开发区域的生活污水量预测为1万m3/d，新建一座处理规模为1万m3/d的污水处理再生厂，对区域内生活污水全部进行处理再生，作为再生水管网的供水水源。

1.2 进出水水质

确定污水处理再生水厂进水水质时，参考了区域内同类型城市污水处理厂进水水质，结合美安科技新城的实际情况，并考虑到将来的综合发展。

出水水质的确定综合参考《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T 18920-2002）、《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T 18921-2002）、《城市污水再生利用工业用水水质指标》（GB/T 19923-2002）的相关指标，出水能满足再生水用作城市杂用水及工业用水的水质要求，也可作为景观用水的补充水。

污水处理再生水厂进出水水质见表1。

表1 污水处理再生水厂进出水水质

2 污水深度处理工艺比选

2.1 MBR工艺原理及特点

膜生物反应器（Membrane-Bioreactor，简称MBR）是20世纪末发展起来的污水深度处理新兴工艺，目前该技术已在欧洲、北美及亚洲一些国家得到较快的发展,并在水处理的许多领域得到应用[4]。我国应用此项技术进行污水再生利用的研究始于1993年，目前已在居住小区污水再生利用、工业企业废水再生利用等中小规模项目中得到了广泛应用，市场化前景广阔[5]。MBR工艺在国内城市污水处理再生厂的应用方面尚属于发展和推广应用阶段，北京市北小河再生水厂（设计处理规模6万m3/d）对此率先进行了成功的探索[6]。

MBR工艺将膜分离技术与传统污水生物处理工艺进行有机结合，利用膜分离的选择透过性与高效性，由膜组件取代二次沉淀池进行固液分离。膜组件可以提高悬浮固体的去除效率，达到延长污泥停留时间、降低污泥负荷的作用，有利于硝化菌等生长缓慢的细菌在反应器中的生长和富集，从而提高脱氮和分解难降解有机物的效率。因此，MBR工艺一方面提升了传统工艺固液分离的效果，另一方面改善了生物处理的运行状态，从而使生物处理效果得到强化。

MBR工艺与传统生物处理工艺相比，具有以下主要特点：

（1）出水水质良好、处理效果稳定

膜组件的高效分离作用保证了MBR工艺具有良好的出水水质，同时提高生物处理单元的污泥浓度，使得世代周期较长的微生物以及不易形成菌胶团的微生物得以富集和繁殖，形成较为完整的微生物链，大大提高处理效率和系统的稳定性。

高污泥浓度使MBR工艺具有很强的抗冲击负荷能力，城市污水处理再生厂的进水水量、水质往往波动较大，系统耐冲击负荷的特点对于保证处理效果的稳定非常有利。

（2）节约占地

MBR工艺可以维持较高的系统污泥浓度，通常生物处理单元的MLSS为10～25 g/L，是传统生物处理的3～5倍，在生物处理单元减小的同时取代二沉池，工艺流程简单，结构紧凑。

（3）便于管理和自动控制

MBR工艺克服了污泥膨胀和污泥流失的问题，实现了生化反应的SRT和HRT的分离，易于实现自动化控制，操作管理更简便。

同时由于MBR工艺的模块化特征，污泥浓度有很宽的可控范围，可以通过增加膜组件来灵活应对处理规模的增长。

（4）节省污泥处理处置费用

MBR工艺污泥泥龄长，污泥产率低，可以大大节省后续对剩余污泥进行处理处置的费用。

2.2 方案比选

设有粗、细格栅、沉砂池等预处理单元，在美安科技新城污水处理再生厂深度处理的方案比选中，将MBR工艺与目前广泛应用的A2/O+过滤工艺进行了综合对比，见表2。

表2 MBR与A2/O+过滤工艺对比表

目前，将传统A2/O脱氮除磷单元与过滤单元组合进行深度处理的工艺已经非常成熟，在过滤单元的研究上，发展出了高效纤维滤池、连续流砂滤池、纤维过滤转盘等新型工艺，在实际工程应用中取得了良好的效果。

方案一：MBR工艺（见图2）

方案二：A2/O＋过滤工艺（见图3）

图3 A2/O＋过滤工艺示意

通过对上述二个方案的全面比较和分析可知，MBR工艺与A2/O+过滤工艺在技术、经济和运行管理上各有优势。在本工程深度处理方案的比选中，主要考虑以下方面的实际需要和要求。

（1）出水水质要求高

本工程出水作为再生水管网的供水水源，要求满足再生水用作城市杂用水、工业用水或景观用水的水质要求。如果出水不能达到水质要求，或出现较大的水质波动，将给再生水的应用和推广造成障碍。

（2）用地要求紧凑

本工程污水处理再生厂要求采用紧凑的用地布置，以节约宝贵的土地资源，也符合国家在市政建设领域严格土地管理、促进集约用地的发展要求

（3）减少对周边环境的影响

根据美安科技新城“现代化绿色科技产业新城”的建设定位，本工程污水处理再生厂要求对运行过程中产生的臭气、噪声、污泥进行有效处理，减少对周边环境的二次污染。

MBR工艺与A2/O+过滤工艺相比，出水水质和稳定性更好，显著节约用地，构筑物占地小从而更有利于除臭降噪。因此，虽然总投资比A2/O+过滤工艺略高10%～15%，但MBR工艺更适合作为本工程新建污水处理再生厂的深度处理工艺。

在A2/O+过滤工艺中，保证二沉池的沉淀效果是系统稳定、高效运行的关键。对于二沉池的运行效果良好、稳定的已建污水处理厂，A2/O+过滤工艺适合作为提标改造时的深度处理工艺。

3 MBR工艺设计

本工程污水处理再生厂中建设一座处理规模为1万m3/d的MBR系统，系统由缺氧池、曝气池、膜池以及综合车间组成，合建构筑物平面尺寸为61.2 m×24.7 m，地面以上高3.5～6.5 m，深1.5 m，见图4、图5。

进水经粗、细格栅、沉砂池等单元预处理后，依次经过缺氧池、曝气池和膜池。缺氧池、曝气池和膜池均设有规模相同的两座，通过进水端配水渠进行配水。各池设计参数如下。

（1）缺氧池

停留时间：2 h；

单组有效容积：417 m（3共两座）。

（2）曝气池

停留时间：6 h；

单组有效容积：1 251 m（3共两座）；

污泥回流量：360 m3/h。

图4 MBR系统平面图（单位：mm）

图5 MBR系统剖面图（单位：mm）

（3）膜池

污泥浓度：8.0 gMLSS/L；

膜组件：采用PVC中空纤维膜组件，每座膜池含18组，共36组；

过滤面积：650 m2/组；

过滤通量：18.0 L/m2·h；

在线化学清洗：15～30 d一次，采用在线清洗泵，由清洗池抽水，分别加入次氯酸钠和柠檬酸对每个系列膜组件进行在线清洗；

离线化学清洗：半年一次，设置次氯酸钠清洗池（碱洗池）和柠檬酸清洗池（酸洗池），每批清洗3个组件。

4 结语

MBR工艺作为一种新型高效污水处理工艺，具有诸多传统工艺所不具备的优点，但目前存在的一些技术难点对其推广应用造成了阻碍。如膜材料的寿命较低，更换膜组件的需要使得系统整体运行费用偏高；膜组件出现阻塞和污染时需要进行清洗，日常维护管理工作量较大。但随着新型膜材料日新月异的进步，膜材料质量的进一步提升和制造成本的降低，以及膜组件及装备集成技术的不断推陈出新，发展完善，有望逐步破解现存的技术难点和应用障碍，为MBR工艺在污水再生领域的应用带来更光明的前景。

[1] 邓风.城市污水深度处理工艺及回用途径探讨[J].节能,2002(4):41-42.

[2] 雷乐成,杨岳平,汪大翠,等.污水回用新技术及工程设计[M].北京:化学工业出版社,2002.

[3] 张 杰 ,曹开朗.城市污水深度处理与水资源可持续利用[J].中国给水排水,2001,17(3):20-21.

[4] Ren Nan-qi,Yan Xian-feng,Chen Zhao-bo,etc.Feasibility and simulation model of a pilot scale membrane bioreactor for wastewater treatment and reuse from Chinese traditional medicine[J].Journal of Environmental Sciences,2007,19(2):129-134.

[5] 邓耀杰,李平,朱凡,等.以回用为目标的污水深度处理组合工艺及其发展[J].环境工程,2005,23(3):10-14.

[6] 杨岸明,甘一萍,常江,等.北京市北小河再生水厂MBR工艺介绍[J].膜科学与技术,2011,31(4):95-98.